一種銅基鍵合絲及製備方法
2023-10-27 19:49:47 5
專利名稱：一種銅基鍵合絲及製備方法
技術領域：
本發明涉及鍵合絲製備技術，特別是一種防氧化銅基鍵合絲及其製備方法。
背景技術：
電子行業中集成電路的生產需要用到一種基礎材料，半導體封裝用材料一鍵合絲(Bonding Wires) 0鍵合絲是一種直徑精細的高拉伸強度金屬絲，是集成電路、半導體分立器件和LED發光管制造過程中必不可少的封裝內引線。電子封裝正在朝高性能、多功能、 小型化、可攜式方向發展，這一發展趨勢對集成電路的性能要求在不斷提升，並且對電子封裝密度有了更高的要求，具體表現為封裝的引腳數越來越多，布線節距越來越小，封裝厚度越來越薄，封裝體在基板是所佔的面積比例越來越大，這些都需要依靠低弧度、高性能的鍵合絲來實現。常見的有合金鍵合絲、銅鍵合絲、鋁鍵合絲、金鍵合絲等。鍵合絲需具備的特質是耐腐蝕、傳導性、連接性好，鍵合速度快。在現有鍵合絲應用技術中，鍵合金絲是一種傳統的鍵合絲。電子器件封裝的內引線大多採用直徑15至75微米的高純度黃金製成的金鍵合絲，金屬基黃金的純度大於 99. 99%，再配以鈀、鎳、鈰等微量元素，經熔煉、拉絲、退火等程序製成。鍵合金絲因具有良好的導電性、抗氧化性和卓越的成弧穩定、鍵合快速性，目前在鍵合絲使用中佔主導地位， 但其價格昂貴、強度偏低，這些缺點已經在目前企業追求利潤空間，降低生存壓力方面形成制約瓶頸。還有一種具有應用前景的的鍵合絲是鍵合銅絲，其價格優勢較鍵合金絲明顯，抗拉強度也有所提升，但是傳統鍵合銅絲還存在一些不足之處，主要問題為物理硬度高，化學氧化活潑，具體表現為一、在大規模集成電路封裝中，鍵合銅線燒球後瞬間氧化，硬度較高，與鋁基粘合時需要很大的鍵合力才能完整粘連，易砸傷鋁基，造成基板損傷，降低了電氣元器件的可靠性，此對晶片及鋁基要求非常苛刻。二、鍵合銅線很容易氧化，在儲存時，條件受限。傳統銅線採用真空包裝，但大量的包裝，偶爾會有個別洩漏現象，同時運輸搬運過程也是造成洩漏的因素。包裝一旦洩漏，若短時間內不使用，銅線就會因氧化而失效。同時，在設備上使用時，銅線已經開始氧化，單軸長度只能使用最長200m的銅線，若超過200m，後部份銅線就會因氧化而失效。因為線短，所以增加了換線次數，致使鍵合生產效率低。
發明內容
基於上述原因，本發明針對上述電子封裝的發展需求以及金鍵合絲成本很高的問題，提供一種以銅作為基材的且具備金鍵合絲性能的銅鍵合絲，以降低製造成本。本發明針對銅鍵合絲易氧化，長度受限的不足，提供一種防氧化銅基鍵合絲的製備方法，解決銅鍵合絲防氧化的難題。
本發明的銅基鍵合絲通過以下技術方案解決上述問題所述鍵合絲為銅表面鍍金的複合材料。所述鍵合絲基材為銅絲，銅的純度高於99. 99%。所述鍵合絲的特點是所述銅絲表面鍍有金層，金的質量佔比為2% _10%，金的純度高於99. 99%。所述鍵合絲表面鍍金金層的厚度為0. 1微米-2. 5微米。所述鍵合絲長度為50米至1000米不等。所述銅基鍵合絲的製備方法包括如下步驟步驟一，預製銅棒胚料，將純度99. 99%以上的銅料，在真空度10_2-10_4Mpa的熔爐內高溫融化，保持熔煉溫度為1100°C，精煉時間50分鐘以上，熔煉過程中採用高純度氬氣保護，最後採用凝固方式製備直徑為8-10毫米的銅棒胚料；步驟二，預製細銅絲，將上述直徑為8毫米-10毫米的銅棒胚料進行粗拔處理，拉伸後加工成直徑為1毫米的銅絲，進一步拉伸銅絲至直徑為90-100微米，然後進行固定退火處理；步驟三，清洗，將上述直徑為90-100微米的微細銅絲進行表面清洗，清洗採用超聲波技術，清洗介質採用無水酒精；步驟四，微細銅絲表層鍍金，將上述微細銅絲進行電鍍處理，電鍍液為軟金電鍍液，金的純度高於99. 99%,電鍍電流密度0. 25A/dm2-5. OA/dm2,電鍍速度控制在20m/min 內；步驟五，退火處理，將表面鍍金的微細銅絲進行退火處理，採用氮氣保護環境下熱處理，熱處理溫度為415°C _425°C，處理時間控制在1. OS-2. 1S，控制退火時張力大小3. Og 以內；步驟六，精製鍵合絲，將表面鍍金處理的微細銅絲進行精細拉拔處理，拉伸至直徑為15微米至75微米，拉伸速度控制在450米/分鐘至600米/分鐘；步驟七，繞線，使用專用繞線機，將鍵合絲定長繞制在量英寸直徑的線軸上，繞線速度控制在50m/min-100m/min，線間距約為5毫米，分卷長度為50米至1000米；步驟八，包裝即得。前述預製細銅絲還具體包括以下步驟步驟一，將直徑為8毫米-10毫米的銅棒胚料採用凝固方式拉制直徑為4-6毫米的高純度單晶銅杆；步驟二，將前述高純度銅杆冷加工成直徑0.8-1. 2毫米，拉拔加工率為 15% -20%，拉拔速度控制為50m/min，速度上下浮動不超過20% ；步驟三，將前述直徑為0. 8-1. 2毫米的微細銅絲進一步拉拔，拉拔加工率10 %， 每次速度波動不超過15%，多次拉拔，直至銅絲直徑拉至90-110微米，拉制過程中保持拉絲塔輪、導向輪、收線盤等部件光潔度，其中銅絲直徑0.5毫米以上時，磨具表面粗糙係數 0. 025，銅絲直徑小於0. 5毫米時，磨具表面粗糙係數高於0. 025，拉拔溫度為35_45°C ；步驟四，將前述直徑為100微米左右的微細銅絲進行固定退火處理。本發明有益的技術效果所述鍍金處理是在上述預製微細銅絲基礎上進行。
繞線後採取普通包裝，包裝材料採用普通材料，包裝條件為常溫常壓。一，成本優勢。本發明的基礎材質是銅，較鍵合金絲的成本大大降低，並且包裝形式更普通，無須真空包裝，儲存、運輸方便，為企業創造了利潤空間，提高了企業的競爭力。二，抗氧化性能。銅基鍵合絲鍍金使得鍵合絲具有良好的抗氧化性能，常溫下在空氣中不會氧化，因此便於包裝和存儲。省去了真空包裝的較高技術成本，適合普通包裝，並且對運輸、存儲條件要求不高；傳統鍵合絲因為使用過程中氧化，因此其長度受限制，而本發明鍵合絲可以設計為長度不等的多種類型，其長度不再受化學變化的限制；在鍵合過程中，傳統銅線避免氧化的發生需要在無空氣保護條件性進行，本發明鍵合絲不需要無空氣保護。三，兼具金和銅兩種材料的優勢。具有良好的導電性；具有良好的導熱性，傳熱效率較傳統鍵合銅絲更高；機械性質高，抗拉強度較鍵合金絲大，而且延伸性更好，具有較高的弧線穩定性；金屬間生長速度慢，較鍵合金絲提高了機械穩定性、降低了電阻增加量，提高了鍵合強度。四，很大程度上提高了晶片頻率和可靠性，適應低成本、細間距、高引出端元器件封裝的發展，在大批量的高引出端、細間距、小焊區的IC封裝工藝中成為替代鍵合金絲的最佳鍵合材料。
具體實施例方式實施例1一種銅基鍵合絲，是由銅絲和包裹於銅絲表面的金層組成的複合材料，材料中銅為基材，其純度高於99. 99 %，金的質量佔比為2 %，金的純度高於99. 99 %。該鍵合絲直徑為50微米，鍍金層的厚度為0. 25微米。銅基鍵合絲的製備過程為步驟一，預製銅棒胚料。將純度99. 99%以上的銅料，在真空度0. OOlMpa的熔爐內高溫融化，保持熔煉溫度為1100°C，精煉時間55分鐘，熔煉過程中採用高純度氬氣保護，最後採用凝固方式製備直徑為8毫米的銅棒胚料；步驟二，預製細銅絲。將上述直徑為8毫米的銅棒胚料進行粗拔處理，拉伸後加工成直徑為1毫米的銅絲，進一步拉伸銅絲至直徑為100微米，然後進行固定退火處理；步驟三，清洗。將上述直徑為100微米的微細銅絲進行表面清洗，清洗採用超聲波技術，清洗介質採用無水酒精。步驟四，微細銅絲表層鍍金。將上述微細銅絲進行電鍍處理，電鍍液為軟金電鍍液，金的純度高於99. 99%，電鍍電流密度3. OA/dm2,電鍍速度控制在16m/min。步驟五，退火處理，將表面鍍金的微細銅絲進行退火處理，採用氮氣保護環境下熱處理，熱處理溫度為420°C，處理時間控制在1. 5S，控制退火時張力大小2. Sg。步驟六，精製鍵合絲。將表面鍍金處理的微細銅絲進行精細拉拔處理，拉伸至直徑為50微米，拉伸速度控制在500米/分鐘。步驟七，繞線。使用專用繞線機，將鍵合絲定長繞制在量英寸直徑的線軸上，繞線速度控制在65m/min，線間距約為5毫米，分卷長度為50米至1000米。前述預製細銅絲還具體包括以下步驟
一，將直徑為8毫米的銅棒胚料採用凝固方式拉制直徑為5毫米左右的高純度單晶銅杆；二，將前述高純度銅杆冷加工成直徑1毫米，拉拔加工率為15% -20%，拉拔速度控制為50m/min，速度上下浮動不超過20% ；三，將前述直徑為1毫米的微細銅絲進一步拉拔，拉拔加工率10%，每次速度波動不超過15%，多次拉拔，直至銅絲直徑拉至100微米，拉制過程中保持拉絲塔輪、導向輪、收線盤等部件光潔度，特別地，銅絲直徑0. 5毫米以上時，磨具表面粗糙係數0. 025，銅絲直徑小於0. 5毫米時，磨具表面粗糙係數高於0. 025，拉拔溫度為400C左右；四，將前述直徑為100微米的微細銅絲進行固定退火處理。所述鍍金處理是在上述預製微細銅絲基礎上進行。繞線後採取普通包裝，包裝材料採用普通材料，包裝條件為常溫常壓。實施例2一種銅基鍵合絲，是由銅絲和包裹於銅絲表面的金層組成的複合材料，材料中銅為基材，其純度高於99. 99 %，金的質量佔比為5 %，金的純度高於99. 99 %。該鍵合絲直徑為50微米，鍍金層的厚度為0. 6微米。該銅基鍵合絲製備過程為步驟一，預製銅棒胚料。將純度99. 99%以上的銅料，在真空度0. 008Mpa的熔爐內高溫融化，保持熔煉溫度為1100°C，精煉時間60分鐘，熔煉過程中採用高純度氬氣保護，最後採用凝固方式製備直徑為8毫米的銅棒胚料；步驟二，預製細銅絲。將上述直徑為10毫米的銅棒胚料進行粗拔處理，拉伸後加工成直徑為1毫米的銅絲，進一步拉伸銅絲至直徑為100微米，然後進行固定退火處理；步驟三，清洗。將上述直徑為100微米的微細銅絲進行表面清洗，清洗採用超聲波技術，清洗介質採用無水酒精。步驟四，微細銅絲表層鍍金。將上述微細銅絲進行電鍍處理，電鍍液為軟金電鍍液，金的純度高於99. 99%，電鍍電流密度1. OA/dm2,電鍍速度控制在18m/min。步驟五，退火處理，將表面鍍金的微細銅絲進行退火處理，採用氮氣保護環境下熱處理，熱處理溫度為420°C，處理時間控制在1.2S，控制退火時張力大小3. Og以內。步驟六，精製鍵合絲。將表面鍍金處理的微細銅絲進行精細拉拔處理，拉伸至直徑為50微米，拉伸速度控制在550米/分鐘。步驟七，繞線。使用專用繞線機，將鍵合絲定長繞制在量英寸直徑的線軸上，繞線速度控制在90m/min，線間距約為5毫米，分卷長度為50米至1000米。前述預製細銅絲還具體包括以下步驟一，將直徑為10毫米的銅棒胚料採用凝固方式拉制直徑為5毫米左右的高純度單晶銅杆；二，將前述高純度銅杆冷加工成直徑1毫米，拉拔加工率為15% -20%，拉拔速度控制為50m/min，速度上下浮動不超過20% ；三，將前述直徑為1毫米的微細銅絲進一步拉拔，拉拔加工率10%，每次速度波動不超過15%，多次拉拔，直至銅絲直徑拉至100微米，拉制過程中保持拉絲塔輪、導向輪、收線盤等部件光潔度，特別地，銅絲直徑0. 5毫米以上時，磨具表面粗糙係數0. 025，銅絲直徑小於0. 5毫米時，磨具表面粗糙係數高於0. 025，拉拔溫度為400C左右；四，將前述直徑為100微米的微細銅絲進行固定退火處理。所述鍍金處理是在上述預製微細銅絲基礎上進行。繞線後採取普通包裝，包裝材料採用普通材料，包裝條件為常溫常壓。本實施例銅基鍵合絲所示檢測報告如表1，與傳統鍵合銅絲比較，新的銅基鍵合絲抗氧化性能強，金屬間(IMC)生長速度慢，提高機械穩定性、降低電阻增加量，IMC生長較為溫和，從而提高了鍵合強度，降低金屬間生長速度，提高焊接的可靠性，各項性能更為穩定。表1焊線設備調整參數及拉力檢測結果
權利要求
1.一種銅基鍵合絲，其特徵在於該鍵合絲為銅絲表面鍍金的複合材料。
2.根據權利要求1所述的一種銅基鍵合絲，其特徵還在於所述鍵合絲基材為銅絲，銅的純度高於99. 99%。
3.根據權利要求1所述的一種銅基鍵合絲，其特徵還在於所述銅絲表面鍍有金層，金的質量佔比為2% -10%，金的純度高於99. 99%。
4.根據權利要求1所述的一種銅基鍵合絲，其特徵還在於所述鍵合絲表面鍍金金層的厚度為0.1微米-2. 5微米。
5.根據權利要求1所述的一種銅基鍵合絲，其特徵還在於所述鍵合絲長度為50米至 1000 米。
6.根據權利要求1所述的一種銅基鍵合絲，其製備方法包括如下步驟步驟一，預製銅棒胚料，將純度99. 99%以上的銅料，在真空度10-2-10-4Mpa的熔爐內高溫融化，保持熔煉溫度為1100°C，精煉時間50分鐘以上，熔煉過程中採用高純度氬氣保護，最後採用凝固方式製備直徑為8-10毫米的銅棒胚料；步驟二，預製細銅絲，將上述直徑為8毫米-10毫米的銅棒胚料進行粗拔處理，拉伸後加工成直徑為1毫米的銅絲，進一步拉伸銅絲至直徑為90-100微米，然後進行固定退火處理；步驟三，清洗，將上述直徑為90-100微米的微細銅絲進行表面清洗，清洗採用超聲波技術，清洗介質採用無水酒精；步驟四，微細銅絲表層鍍金，將上述微細銅絲進行電鍍處理，電鍍液為軟金電鍍液，金的純度高於99. 99%，電鍍電流密度0. 25A/dm2-5. OA/dm2,電鍍速度控制在20m/min內；步驟五，退火處理，將表面鍍金的微細銅絲進行退火處理，採用氮氣保護環境下熱處理，熱處理溫度為415°C _425°C，處理時間控制在1. OS-2. 1S，控制退火時張力大小3. Og以內；步驟六，精製鍵合絲，將表面鍍金處理的微細銅絲進行精細拉拔處理，拉伸至直徑為15 微米至75微米，拉伸速度控制在450米/分鐘至600米/分鐘；步驟七，繞線，使用專用繞線機，將鍵合絲定長繞制在量英寸直徑的線軸上，繞線速度控制在50m/min-100m/min，線間距約為5毫米，分卷長度為50米至1000米； 步驟八，包裝即得。
7.根據權利要求6所述的銅基鍵合絲，所述製備預製細銅絲還具體包括以下步驟 步驟一，將直徑為8毫米-10毫米的銅棒胚料採用凝固方式拉制直徑為4-6毫米的高純度單晶銅杆；步驟二，將前述高純度銅杆冷加工成直徑0. 8-1. 2毫米，拉拔加工率為15% -20%，拉拔速度控制為50m/min，速度上下浮動不超過20% ；步驟三，將前述直徑為0. 8-1. 2毫米的微細銅絲進一步拉拔，拉拔加工率10%，每次速度波動不超過15%，多次拉拔，直至銅絲直徑拉至90-110微米，拉制過程中保持拉絲塔輪、 導向輪、收線盤等部件光潔度，其中銅絲直徑0.5毫米以上時，磨具表面粗糙係數0. 025，銅絲直徑小於0. 5毫米時，磨具表面粗糙係數高於0. 025，拉拔溫度為35-45°C ； 步驟四，將前述直徑為100微米左右的微細銅絲進行固定退火處理。
8.根據權利要求6所述的銅基鍵合絲，所述鍍金處理是在前述預製微細銅絲基礎上進行。
9.根據權利要求6所述的銅基鍵合絲，其所述銅基鍵合絲包裝採用普通材料包裝，包裝條件為常溫常壓。
全文摘要
本發明提供一種銅基鍵合絲及其製備方法，該鍵合絲一種銅絲及表面鍍金的複合材料，鍵合絲中金的重量組分為2％--10％，其純度高於99.99％。該鍵合絲的製備方法主要包括熔煉、拉制、清洗、鍍金、退火、繞線、包裝等步驟。該銅基鍵合絲具有良好抗氧化性、良好的導電性以及低弧度、低硬度、價格低的優點，銅絲採用普通材料包裝，在常溫差壓下可以長期保存，能夠適應電子封裝低成本、高性能、多功能等發展的需求。
文檔編號H01L23/49GK102509724SQ20111031710
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者周鋼, 薛子夜, 趙碎孟 申請人:廣東佳博電子科技有限公司